X-Y數(shù)控工作臺設(shè)計說明書(最終版)-精選文檔

PAGEPAGE16`1、設(shè)計任務(wù) 22、總體方案的確定 22.1機械傳動部件的選擇 22.2控制系統(tǒng)的設(shè)計 32.3繪制系統(tǒng)組成框圖 32.4繪制機械傳動系統(tǒng)簡圖 43、機械傳動部件的計算與選型 43.1脈沖當(dāng)量的確定 43.2導(dǎo)軌上移動部件的重量估算 43.3傳動部件、導(dǎo)向部件的設(shè)計、計算和選用 43.3.1銑削力的計算 43.3.2直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型 53.3.3滾珠絲杠螺母副的計算與選型 63.4步進電動機減速箱的選用 73.5步進電動機的計算與選型 83.5.1計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 83.5.2計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 83.5.3步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 103.5.4步進電動機的性能校核 114、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 124.1根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計控制系統(tǒng)的時主要考慮以下功能： 124.2數(shù)控系統(tǒng)的組成 124.3CPU的選擇 124.4驅(qū)動系統(tǒng) 134.4.1步進電機驅(qū)動電路和工作原理 134.4.2步進電機驅(qū)動電源選用 144.5其它輔助電路設(shè)計 155、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 165.1接口程序初始化 165.2步進電機驅(qū)動程序 165.2.1電機的控制電路原理及控制字 165.2.2電機正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序 165.3圓弧插補程序的設(shè)計 185.3.1逐點比較法 185.3.2程序設(shè)計 18參考文獻(xiàn) 211、設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個數(shù)控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)，該工作臺可安裝在銑床上，用于銑削加工。設(shè)計參數(shù)如下：設(shè)計分組最大銑刀直徑Φmm最大銑削寬度ae最大銑削深度ap加工材料工作臺加工范圍（mm）最大移動速度220mm8mm5mm碳鋼X=250，Y=1803m/min其它參數(shù)：根據(jù)設(shè)計要求，初令立銑刀齒數(shù)Z=3；X，Y方向的脈沖當(dāng)量；X，Y方向的定位精度均為。2、總體方案的確定2.1機械傳動部件的選擇（1）導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計的X-Y工作臺是用來配套輕型的立式數(shù)控銑床的，需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。（2）絲杠螺母副的選用伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，要滿足0.01mm的脈沖當(dāng)量和的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到。滾珠絲杠副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。（3）減速裝置的選用選擇了步進電動機和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機構(gòu)。為此，本設(shè)計決定采用無間隙齒輪傳動減速箱。（4）伺服電動機的選用本設(shè)計中的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級，空載最快移動速度也只有。因此，本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電動機，如交流伺服電動機或直流伺服電動機等，可以選用性能好一些的步進電動機，如混合式步進電動機，以降低成本，提高性價比。（5）檢測裝置的選用伺服系統(tǒng)實現(xiàn)位置伺服控制有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)3種控制方式。開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)存在著控制精度不能達(dá)到較高水平的基本問題，但是步進電機具有角位移與輸入脈沖的嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系，使步距誤差不會積累；轉(zhuǎn)速和輸入脈沖頻率嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，而且在負(fù)載能力范圍內(nèi)不受電流、電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動而變化的特點。并且步進電機控制的開環(huán)系統(tǒng)由于不存在位置檢測與反饋控制的問題，結(jié)構(gòu)比較簡單，易于控制系統(tǒng)的實現(xiàn)與調(diào)試。并且隨著電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，在改善步進電機控制性能方面也取得了可喜的發(fā)展。因此，在一定范圍內(nèi)，這種采用步進電機作為驅(qū)動執(zhí)行元件的開環(huán)伺服系統(tǒng)可以滿足加工要求，適宜于在精度要求不很高的一般數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用。雖然閉環(huán)、半閉環(huán)控制為實現(xiàn)高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具體的系統(tǒng)中，增加了位置檢測、反饋比較及伺服放大等環(huán)節(jié)，除了在安裝調(diào)試增加工作量和復(fù)雜性外，從控制理論的角度看，要實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，其難度也將大為提高。為此，考慮到在普通立式銑床上進行改造，精度要求不是很高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，本設(shè)計采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)?？紤]到X、Y兩個方向的加工范圍接近，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計工作量，X、Y兩個坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機，以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。2.2控制系統(tǒng)的設(shè)計（1）、設(shè)計的X-Y工作臺準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)設(shè)計成連續(xù)控制型。（2）、對于步進電動機的開環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機AT89S51作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足本設(shè)計給定的相關(guān)指標(biāo)。（3）、要設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴展程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路，I/O接口電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。（4）、選擇合適的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用。2.3繪制系統(tǒng)組成框圖圖2-12.4繪制機械傳動系統(tǒng)簡圖 -2圖2-23、機械傳動部件的計算與選型3.1脈沖當(dāng)量的確定根據(jù)機床精度要求確定脈沖當(dāng)量，考慮到機械傳動系統(tǒng)的誤差存在。脈沖當(dāng)量值必須小于定位精度值。本設(shè)計確定的脈沖當(dāng)量為X方向（縱向），Y方向（橫向）的脈沖當(dāng)量。3.2導(dǎo)軌上移動部件的重量估算按照下導(dǎo)軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計重量約為。3.3傳動部件、導(dǎo)向部件的設(shè)計、計算和選用3.3.1銑削力的計算設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由[1]表3-7查得立銑時的銑削力計算公式為：今選擇銑刀直徑d=20mm，齒數(shù)Z=3，為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度，背吃刀量，每齒進給量，銑刀轉(zhuǎn)速。則由上式可求得最大銑削力：采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由[1]表3-5查得，考慮逆銑時的情況，因為逆銑的情況的受力最大的情況，所以為了安全，應(yīng)考慮這種最危險的工況?？晒浪闳齻€方向的銑削力分別為：，，。上述情況為臥銑情況，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別為和。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向（絲杠軸線方向），則縱向銑削力，徑向銑削力。3.3.2直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型直線滾動導(dǎo)軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型（1）滑塊承受工作載荷的計算及導(dǎo)軌型號的選取直線滾動導(dǎo)軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本設(shè)計中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：其中，移動部件重量，外加載荷，代入上式，得最大工作載荷。查[1]表3-41，根據(jù)工作載荷，初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷，額定靜載荷。本設(shè)計規(guī)定的工作臺加工范圍為250mm×180mm，考慮工作行程應(yīng)留有一定的余量，查[1]表3-35，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長度為580mm。（2）距離額定壽命L的計算上述選取的KL系列的JSA-LG15型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100℃遠(yuǎn)大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。3.3.3滾珠絲杠螺母副的計算與選型（1）最大工作載荷的計算如前面所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行），受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直），受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）。滾珠絲杠螺母副的型號為濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列1604滾珠絲杠螺母副的型號為濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列1604—3型（2）最大動載荷的計算設(shè)工作臺在承受最大銑削力是的最快進給速度，初選絲杠導(dǎo)程，則此時絲杠轉(zhuǎn)速。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入，得絲杠壽命系數(shù)（單位為：）查[1]表3-30，取載荷系數(shù)，滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)，代入[1]式（3-23），求得最大動載荷：（3）初選型號根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查[1]表3-31，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列1604—3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為16mm，導(dǎo)程為4mm，循環(huán)滾珠為3圈×1列，精度等級取5級，額定動載荷為4612N，大于，滿足要求。（4）傳動效率η的計算將公稱直徑，導(dǎo)程，代入，得絲杠螺旋升角。將摩擦角，代入，得傳動效率。（5）剛度的驗算1）X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推—單推”的方式，見附圖“X-Y數(shù)控工作臺裝配圖”。絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距離約為；鋼的強性模量；查[1]表3-31，得滾珠直徑，絲杠底徑，絲杠截面積。忽略[1]式（3-25）中的第二項，算得絲杠在工作載荷作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量。2）根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為3×1，代入公式：，得滾珠總數(shù)量。絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力。則由[1]式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量。因為絲杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實際變形量可減小一半，取。3）將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度560mm）。本設(shè)計中，絲杠的有效行程為330mm，由[1]表3-27知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315~400mm時，行程偏差允許達(dá)到，可見絲杠剛度足夠。（6）壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)[1]公式（3-28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷。查[1]表3-34，取支承系數(shù)；由絲杠底徑，求得截面慣性矩；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值560mm。代入[1]式（3-28），得臨界載荷，遠(yuǎn)大于工作載荷，故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。3.4步進電動機減速箱的選用步進電動機減速箱的型號為常州市新月電機有限公司生產(chǎn)的JBF步進電動機減速箱的型號為常州市新月電機有限公司生產(chǎn)的JBF—3型已知工作臺的脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠的導(dǎo)程，初選步進電動機的步距角。根據(jù)[1]式（3-12），算得減速比：本設(shè)計選用常州市新月電機有限公司生產(chǎn)的JBF—3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為60:36，材料為45調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達(dá)55HRC。減速箱中心距為小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。3.5步進電動機的計算與選型3.5.1計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量步進電動機的型號為常州寶馬集團公司生產(chǎn)的90BYG2602，四相八拍驅(qū)動時步距角為步進電動機的型號為常州寶馬集團公司生產(chǎn)的90BYG2602，四相八拍驅(qū)動時步距角為如[1]表4-1所示，算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；托板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量；小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量；大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量。初選步進電動機型號90BYG2602，為四相混合式，由常州寶馬集團公司生產(chǎn)，四相八拍驅(qū)動時步距角為，從[1]表4-5查得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：3.5.2計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩分快速空載起動和承受最大工作負(fù)載兩種情況進行計算。（1）快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由[1]式（4-8）可知，包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)[1]式（4-12）可知，相對于和很小-，可以忽略不計。則有：根據(jù)[1]式（4-9），考慮傳動鏈的總效率，計算快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：式中——對應(yīng)空載最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速，單位為；——步進電動機由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時間，單位為s。其中：式中——空載最快移動速度，本設(shè)計指定為；——步進電動機步距角，預(yù)選電動機為；——脈沖當(dāng)量，本設(shè)計中。將以上各值代入[1]式（6-15），算得。設(shè)步進電動機由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時間，傳動鏈總效率。則由[1]式（6-14）求得：由[1]式（4-10）可知，移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：式中——導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滾動導(dǎo)軌取0.005；——垂直方向的銑削力，空載時取0；——傳動鏈總效率，取0.7。則由[1]式（6-16），得：最后由[1]式（6-13），求得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：（2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由[1]式（4-13）可知，包括三部分：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)[1]式（4-12）可知，相對于和很小-，可以忽略不計。則有：其中，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩由[1]式（4-14）計算。本設(shè)計中在對滾珠絲杠進行計算的時候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進給載荷，則有：再由[1]式（4-10）計算垂直方向承受最大工作載荷（）情況下，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：最后由[1]式（6-18），求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：經(jīng)過上述計算后，得到加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：3.5.3步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本設(shè)計取安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：上述初選的步進電動機型號為90BYG2602，由[1]表4-5查得該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩?？梢姡瑵M足[1]式（6-20）的要求。3.5.4步進電動機的性能校核（1）最快工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核設(shè)工作臺最快工進速度，脈沖當(dāng)量，由[1]式（4-16）求出電動機對應(yīng)的運行頻率。從90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線即下圖可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。圖3-190BYG2602步進電動機的運行矩頻特性曲線（2）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核本設(shè)計給定工作臺最快空載移動速度，仿照[1]式（4-16）求出電動機對應(yīng)的運行頻率。從上圖查得，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，大于快速空載起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。（3）最快空載移動時電動機運行頻率校核與最快空載移動速度對應(yīng)的電動機運行頻率為。查[1]表4-5可知90BYG2602電動機的空載運行頻率可達(dá)，可見沒有超出上限。（4）起動頻率的計算已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時的空載起動頻率（查[1]表4-5）。則由[1]式（4-17）可以求出步進電動機克服慣性負(fù)載的起動頻率：上式說明，要想保證步進電動機起動不失步，任何時候的起動頻率都必須小于。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有（即）。綜上所述，本設(shè)計中工作臺的進給傳動選用90BYG2602步進電動機，完全滿足設(shè)計要求。4、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計控制系統(tǒng)的時主要考慮以下功能：接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示接受操作面板的開關(guān)與按鈕信息；接受車床限位開關(guān)信號；控制X，Z向步進電動機的驅(qū)動器；4.2數(shù)控系統(tǒng)的組成數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成：

1、主控制器。即中央處理單元CPU

2、總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。

3、存儲器。包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器。

4、接口。即I/O輸入輸出接口。4.3CPU的選擇從要設(shè)計的系統(tǒng)來看，選用較老的8051單片機需要拓展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，無疑提高了設(shè)計價格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過于浪費。生產(chǎn)基于51為內(nèi)核的單片機的廠家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生產(chǎn)領(lǐng)域ATMEL公司的工藝和封裝技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。ATMEL公司的AT89系列單片機內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進行程序修改，同時掉電也不影響信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用靜態(tài)時鐘方式可以節(jié)省電能。因此硬件CPU選用AT89S51，AT表示ATMEL公司的產(chǎn)品，9表示內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，S表示含有串行下載Flash存儲器。AT89S51的性能參數(shù)為：Flash存儲器容量為4KB、16位定時器2個、中斷源6個（看門狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷0、外部中斷1、定時器0和定時器1中斷）、RAM為128B、14位的計數(shù)器WDT、I/O口共有32個。CPUCPUAT89S51單片機復(fù)位電路EPROM芯片2764SRAM芯片6264鍵盤與顯示接口芯片并行接口芯片8255隔離放大隔離放大隔離放大X向步進電機Y相步進電機限位開關(guān)信號操作面板開關(guān)/按鈕信號晶振電路圖4-1控制系統(tǒng)原理框圖4.4驅(qū)動系統(tǒng)傳動驅(qū)動部分包括步進電機的驅(qū)動和電磁鐵的驅(qū)動，步進電機須滿足快速急停、定位和退刀時能快速運行、工作時能帶動工作臺并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運行。在定位和退刀時電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時能及時釋放磁力使筆尖壓下。4.4.1步進電機驅(qū)動電路和工作原理步進電機的速度控制比較容易實現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計時的脈沖當(dāng)量為0.01mm，步進電機每走一步，工作臺直線行進0.01mm。步進電機驅(qū)動電路中采用了光電偶合器，它具有較強的抗干擾性，而且具有保護CPU的作用，當(dāng)功放電路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。圖4-2步進電機驅(qū)動電路圖該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當(dāng)A相得電時，電動機轉(zhuǎn)動一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管D起到續(xù)流作用，即在功放管截止是，使儲存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護功放管。與繞組W串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動機發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進電機采用的是四相八拍的工作方式，其正轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序為：A-DA-D-CD-C-BC-B-AB-A4.4.2步進電機驅(qū)動電源選用設(shè)計中X、Y向步進電動機均為90BYG2602型，選擇與之匹配的驅(qū)動電源為BD28Nb型，輸入電壓為100VAC，相電流為4A，分配方式為四相八拍。該驅(qū)動電源與控制器的接線方式如圖圖4-3BD28Nb驅(qū)動電源的接線圖4.5其它輔助電路設(shè)計（1）AT89S51的時鐘電路單片機的時鐘可由內(nèi)部方式產(chǎn)生，內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1，XTAL2引腳上外接定時元件。MCS-51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該高增益反向放大器得輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL1。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電路，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。如下圖所示圖4-4時鐘電路（2）復(fù)位電路單片機的復(fù)位電路都是靠外部電路實現(xiàn)，在時鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上高電平，單片機便實現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機便從0000H單元開始執(zhí)行程序。圖4-5復(fù)位電路復(fù)位引腳RST通過一個施密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2,施密特觸發(fā)器輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。5、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計5.1接口程序初始化a、8255A初始化程序INTT:MOVDX,8255A控制端口MOVAL,86HOUTDXMOVAL,05HOUTDXb、40H類型中斷服務(wù)程序MOVDX,8255AINAL,DXIRET5.2步進電機驅(qū)動程序5.2.1電機的控制電路原理及控制字節(jié)拍通電相控制字正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)二進制十六進制18A0000000101H27AB0000001103H36B0000001002H45BC0000011006H54C0000010004H63CD0000010105H72D0000011006H81DA0000011107H表5-1設(shè)電機總的運行步數(shù)放在R4，轉(zhuǎn)向標(biāo)志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標(biāo)志位F1（D5）中，當(dāng)F1為0時，電機正轉(zhuǎn)，為1時則反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時P1端口的輸出控制字01H,03H,02H,06H,04H,05H存放在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲單元20H~27H中，28H中存放結(jié)束標(biāo)志00H，在29H~2EH的存儲單元內(nèi)反轉(zhuǎn)時P1端口的輸出控制字01H,05H,04H,06H,02H,03H,在2DH單元內(nèi)存放結(jié)束標(biāo)志00H。5.2.2電機正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序圖5-2步進電動機的控制程序框圖PUSHA；保護現(xiàn)場MOVR4,#N；設(shè)步長計數(shù)器CLRC；ORLC,D5H；轉(zhuǎn)向標(biāo)志為1轉(zhuǎn)移JCROTE；MOVR0,#20；正轉(zhuǎn)控制字首址指針AJMPLOOP；ROTE:MOVR0,#27H；反轉(zhuǎn)控制字首地址LOOP:MOVA,@R0；MOVP1,A；輸出控制字ACALLDELAY；延時INCR0；指針加1MOVA,#00H；ORLA,@R0；JZTRL；LOOP1:DJNZR4,LOOP；步數(shù)步為0轉(zhuǎn)移POPA；恢復(fù)現(xiàn)場RET；；返回TPL:MOVA,R0；CLRA；SUBBA,#06H；MOVR0,A；恢復(fù)控制字首指針AJMPLOOP1；DELAY:MOVR2,#M；DELAY1:MOVA,#M1；LOOP:DECA；JNZLOOP；DJNZR2,DELAY1；RET；5.3圓弧插補程序的設(shè)計5.3.1逐點比較法逐點比較法的圓弧的插補計算過程和直線插補過程基本相同，也分為偏差判別、坐標(biāo)進給、偏差計算和終點判別四個步驟。不同點在于：（1）偏差計算公式步進與前一點偏差有關(guān)，還與前一點的坐標(biāo)有關(guān)，在計算偏差的同時要進行坐標(biāo)計算。（2）終點的判別是以一個方向的坐標(biāo)值與終點坐標(biāo)值相比較判斷其是否相等為判據(jù)。若，則以X是否等于作為終點判據(jù)；若，則以Y是否等于作為終點判據(jù)。第一象限逆圓弧插補程序算法如圖：圖5-3第一象限逆圓插補程序框圖5.3.2程序設(shè)計和直線插補程序設(shè)計一樣，也在內(nèi)存中開辟存儲單元用以存放有關(guān)數(shù)據(jù)。在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放懂點坐標(biāo)X和Y，其初始值為起點坐標(biāo)值，其后依據(jù)坐標(biāo)計算結(jié)果而變化，存放終點坐標(biāo)值，以及存放偏差飛存儲單元。第一象限逆圓弧插補程序如下：XLEQU18HXHEQU19HYLEQU28HYHEQU29HLEQU1AHHEQU1BHLEQU2AHHEQU2BHFLEQU2CHFHEQU2DHORG2400HMAIN:MOVSP,#60H;MOV70H,#08H;MOVXL,#80H;XLMOVXH,#0CH;XHMOVL,#80H;MOVH,#0CH;MOVL,#00H;MOVH,#00H;MOVYL,#00H;YLMOVYH,#00H;YHMOVFL,#00H;FLMOVFH,#00H;FHLP3:MOVA,FHJNBACC.7,LP1MOVA,70HSETBACC.2CLRACC.0LCALLMOTRMOVR1,#28HMOVR0,#1CHMOVR7,#02HLCALLMULT2ADD:CLRCMOVA,FLADDCA,1CHMOVFL,AMOVA,FHADDCA,1DHMOVFH,ACLRCMOVA,YLADD